کشف کوارک های برتر سرن به ذره مرموز «توپونیوم» اشاره دارد

4 آوریل 2025-نمایش رویداد مازاد جفت کوارک بالا. تصویر: CMS collaboration/CERN

دانشمندان برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) سرن یک ناهنجاری غیرمنتظره را در داده های خود کشف کرده اند که می تواند وجود کوچکترین ذره مرکب مشاهده شده را نشان دهد.یافته‌های همکاری CMS، تشخیص احتمالی «توپونیوم» – پیوند زودگذر بین کوارک‌های برتر و همتایان ضد ماده آنها را برجسته می‌کند.

کوارک‌های برتر، سنگین‌ترین ذرات بنیادی، کوتاه‌ترین طول عمر را دارند و مطالعه برهم‌کنش‌های آن‌ها را دشوار می‌کند.در حالی که تشکیل توپونیوم برای مدت طولانی در LHC غیرقابل کشف تلقی می شد، این یافته اخیر خلاف این را نشان می دهد.با این حال، توضیحات جایگزین ممکن است، و تجزیه و تحلیل بیشتری مورد نیاز است، به ویژه از آزمایش ATLAS CERN .

LHC اغلب جفت‌های کوارک-آنتی کوارک بالایی (tt-bar) را از طریق برخورد پروتون‌های پرانرژی تولید می‌کند.اندازه‌گیری فرکانس این رویدادها برای آزمایش مدل استاندارد فیزیک ذرات، که بیش از 50 سال بر درک ما از ذرات بنیادی حاکم بوده، بسیار مهم است.

فراتر از تایید تئوری های شناخته شده، مطالعه کوارک های برتر به دانشمندان کمک می کند تا ذرات هنوز کشف نشده را جستجو کنند. برخی از فیزیکدانان حدس می زنند که ماده تاریک و سایر پدیده های غیرقابل توضیح ممکن است با ذرات سنگین کشف نشده مرتبط باشند.

مازاد جفت‌های tt-bar در داده‌های تجربی اغلب به وجود بوزون‌های هیگز اضافی اشاره می‌کند، اما آخرین مشاهدات احتمال متفاوتی را نشان می‌دهد – احتمالی که می‌تواند درک ما از برهمکنش‌های ذرات را دوباره تعریف کند.

بین سال‌های 2016 و 2018، محققان CMS مقادیر زیادی از داده‌های تولید tt-bar را در حالی که به دنبال نشانه‌هایی از ذرات هیگز مانند اضافی بودند، تجزیه و تحلیل کردند.انتظار می‌رود کوارک بالایی که 184 برابر سنگین‌تر از یک پروتون است، به شدت با چنین ذراتی تعامل داشته باشد. اگر یک بوزون هیگز کشف نشده به اندازه کافی عظیم باشد، باید به جفت های tt-bar تجزیه شود و «جت» ذرات قابل تشخیص در آشکارساز CMS تولید کند.

با این حال، CMS متوجه شد که جفت‌های بالا-ضد بالا دقیقاً در حداقل آستانه انرژی مورد نیاز برای تولید آنها تشکیل می‌شوند. این ناهنجاری محققان را به بررسی مجدد یک فرضیه که مدت ها رد شده بود سوق داد: تشکیل یک حالت محدود کوارک-آنتی کوارک بالا یا توپونیوم.

برخلاف سایر حالت‌های محدود کوارک-آنتی کوارک یا کوارکونیا، انتظار نمی‌رود که جفت‌های tt-bar پیوندهای پایداری تشکیل دهند.با این حال، کرومودینامیک کوانتومی – نظریه‌ای که چگونگی اتصال نیروی هسته‌ای قوی به کوارک‌ها را توصیف می‌کند – افزایش‌های ممکن حالت محدود را در آستانه تولید tt-bar پیش‌بینی می‌کند.

در حالی که توضیحات جایگزین، مانند وجود یک بوزون اولیه هیگز مانند را نمی توان رد کرد، محاسبات CMS از فرضیه توپونیوم پشتیبانی می کند.سطح مقطع، معیاری برای احتمال برهمکنش ذرات، 8.8 پیکوبارن با حدود 15 درصد عدم قطعیت یافت شد.این از آستانه پنج سیگما که برای یک کشف تایید شده در فیزیک ذرات لازم است فراتر می رود و احتمال اینکه این ناهنجاری یک تصادف آماری باشد را تقریباً به صفر می رساند.

اگر اعتبار سنجی شود، توپونیوم خانواده کوارکونیوم را تکمیل می کند که شامل چارمونیوم (جذاب-ضد افسون) و فروتونیم (پایین-ضد ته) است.اولی در سال 1974 در جریان “انقلاب نوامبر” در فیزیک ذرات کشف شد، در حالی که دومی در سال 1977 شناسایی شد.

در حال حاضر، تونونیوم با اندازه تقریباً 0.4 فمتومتر، عنوان کوچکترین هادرون شناخته شده را دارد. با این حال، به دلیل جرم بالاتر، انتظار می رود که توپونیوم حتی کوچکتر باشد و آن را به ریزترین ذره مرکب کشف شده تبدیل کند.تشخیص توپونیوم در برخوردهای پرانرژی غیرممکن تصور می‌شد، زیرا کوارک بالایی در کمتر از یک تریلیونم ثانیه فروپاشی می‌کند – قبل از اینکه بتواند یک حالت محدود پایدار ایجاد کند.

برخلاف سایر کوارکونی‌ها، که واپاشی آن‌ها با نابودی ذرات تشکیل‌دهنده آن‌ها آغاز می‌شود، توپونیوم به‌دلیل واپاشی سریع یکی از کوارک‌هایش به‌طور منحصربه‌فردی متلاشی می‌شود.

جامعه علمی محتاط است، زیرا نظریه های جایگزین هنوز می توانند داده های مشاهده شده را توضیح دهند. هر دو CMS و ATLAS در حال حاضر برای بررسی بیشتر این ناهنجاری با یکدیگر همکاری می کنند و مجموعه داده های اضافی را تجزیه و تحلیل می کنند تا تأیید کنند که آیا توپونیوم واقعاً وجود دارد یا خیر.

اگر این کشف ثابت شود، می‌تواند درک ما از برهم‌کنش‌های کوارک‌های برتر را تغییر دهد و درهای جدیدی را در تلاش برای باز کردن اسرار اساسی‌ترین بلوک‌های سازنده کیهان باز کند.